微振动流的发展泵采用MEMS技术

微振动流的发展泵采用MEMS技术摘要：在本论文中，我们提出了一种微振动流量泵（微VB），这是一种新型的微型泵。微VFP构造上使用主动式振动阀，由固定在墙壁上的一个微通道和下游的狭缝孔的悬臂状结构构成。狭缝孔被设计成周围的振动阀的流动不对称形，并且有效地产生一个净流的一个方向。与此同时，阀作品作为一个致动器以诱导液体流在微通道。由于阀是由柔性材料，其包括磁性颗粒，它是由从微VFP外改变磁场操纵。这种设计使微的VFP外部操作不存在任何电气或机械的连接。此外，微VFP，它体现了与一个腔室泵送自由设计性，使其便于在小空间实现。为了证明其基本泵送性能，原型微VFP在制作在微通道240微米×500微米的一个横截面采用了微机电系统技术，机阀的振动特性使用高速摄像进行了调查。泵的性能在5到25赫兹的范围内的各种致动的频率，通过测量静水压头和流率进行评价。所提出的微VFP设计表现出驱动频率性能的提高并且具有3.8±0.4Pa的最大关闭压力和在25赫兹内，0.38±0.02微升/分钟的最大流量。此外，为了阐明的详细泵送过程中，围绕振动阀的流动特性，通过分析基于微米分辨率的粒子图像测速（微PIV）的速度场进行了调查。流体静压测量的有效性通过比较体积流速与从微PIV数据估计证实。本研究揭示了开发微VFP的基本性能。关键词：微泵，振动流泵，阀，微机电系统，微PIV1.介绍许多技术用于微型生化分析系统，被称为微型全分析系统（曼茨等人1990）或芯片实验（Stone等人，2004年），这些已经开发了近十年。在这些系统中，流体输送，混合，生化反应，分离和检测使用少量样本流体和试剂都是自动进行的。通过微通道导致反应的均匀性的限制效应。因此，这些系统具有许多有利的特征，例如减小的分析时间，总成本，和患者的疼痛。为了可靠和完全自动化的系统的发展，各种微型泵是一个关键的技术用于开发在高压下输送流体通过横截面非常小的微通道，水头损失，已经提出了（彼得2005）。先前的微型泵可大致分为两大类：机械泵和非机械泵。第一类通常实现通过使用止回阀，振荡膜或涡轮增压的工作流体抽（面包车门楣等，1988）。第二类通过另一种形式的能量转化为动能增加动力流体。属于这一类的典型泵是微型泵电流体动力（巴特等，1990），电渗微型泵（Liu和1992达斯古普塔），和磁流体泵（张和Lee，2000）。然而，大多数当前的微型泵不满足在一个芯片上的实验室的要求，如在每分钟或更少微升的范围内的小流量的精确控制，因为本微型泵的尺寸相对较大的，或者因为缺乏稳定的泵送机构。振动流量泵（VFP），目前是一个宏观的泵，首次由桥本龙太郎等人提出了。（1994）。其中的VFP的工作原理是通过振动在其一侧的阀管的液体柱以提供动能。VFP有许多有利的功能，如简单的结构泵送性能，自吸式，和可控性。因为上述优点在机械和化学工程的各个工业领域中VFP已经得到极大的重视，。此外，VFP已被认为是一个合适的机构，用于人造器官左心室中的的辅助装置（LVAD）（Yambe等人，2003;Kawano等人，2001;Shintaku等人2010）。因为VFP可以稳定地用不同频率产生振荡流。小型化的VFP，其实是毫米级泵，由河野等人提出。并提出用作一个增压泵在临床应用中的外部分流导管（Kawano等人，2003;Kato等人，2003）。但是，应用VFP的微流体系统需要进一步的小型化。另外，在本研究中，我们已经开发出一种微VFP制成由微机电系统（MEMS）技术（Shintaku等人，2007，2008;Inaoka等人2011），为了使VFP应用于微型全分析系统的芯片上的应用或实验室。在对比宏观尺度的VFP的管振动，我们采用了微VFP阀门的振动。该变形，振动薄板阀代替管，其一侧固定到通道壁，有助于在尺寸和功率消耗的显着降低。这种新颖的泵主要由一个振动阀制成聚二甲基硅氧烷（PDMS），其中包括磁性粒子从泵外面操纵阀门的发展的实现。该泵送性能通过测量在各种驱动频率下产生的静水压头的影响。此外，在微VFP的流体动力学通过基于微米分辨率的粒子图像测速（微PIV）的非接触流观测得以实现。微VFP可精确控制流率在0.07±0.02的范围内，以0.38±0.02微升/分钟的速度。因此，微VFP在少量流体的精确控制的应用中，例如单分子研究中使用有用（Perkins等人，1995;Nagahiro等人2007;花笑等人2008;土井等人2010）。最大压力是3.8±0.4帕，通过微缩放通道输送液体，这是足够高的。这里所获得的结果是提供在微VFP的泵送性能的基本理解。2.微VFP结构图1a是微VFP的示意图和泵送操作的概念。微VFP由一个悬臂状振动阀和下游的狭缝孔组成。上游和下游之间的阀门的不对称振动的结果，并且由于狭缝孔和阀的组合成非对称结构，微VFP通过向工作提供动能产生单向流动的微通道液。由于阀是由柔性材料制成，例如，PDMS，包括磁性粒子，微VFP可以从外部只通过改变阀的附近的磁场操作。因此，需要没有电或机械的连接。此外，与基于与一个膜片的一室中的常规微型泵相比（面包车门楣等，1988），微VFP包含微通道是相对较小的。a.微VFP的抽水示意图。b.周围的振动阀的结构的尺寸，c.示意振动阀使用外侧永久磁铁动作示意图图1b显示立体插图的微VFP和结构尺寸。需要注意的是流动方向是相反的，在图1a中为了说明的振动阀和所述微通道的横截面的细节。该阀被设计为一个悬臂状结构，固定在微通道的壁上。该阀是一个相对高的纵横比结构，厚度为40μm，宽度为200μm，高度为490μm，以使阀门具有足够的弹性，使其振动。该阀位于微通道的中心，其宽度为240μm，深度为500μm，长度为5.3毫米。阀和壁之间的小间隙被设计为10微米的端部和20μm的两侧。狭缝孔被设计为50μm从间隙为50μm的阀的下游。原理图驱动的振动阀使用外面的永磁（PM）在图1c显示。PM的运动在阀的附近改变了磁场。该阀变形时上游采取了新的位置，当PM的边缘位于在阀的上游侧从而产生吸引力。由于磁场的振荡围绕新的振动中心阀门振动是依据PM的。因此，PM的振动导致周期性不对称阀的振动。3制作图2显示了制作过程的示意图。我们开发了一个优化的工艺条件对SU-8的模具，如表1所述，实现了微VFP的相对高纵横比结构。SU-8模具有两层，厚度在10至500微米之间，为了制造阀门顶端和微通道壁之间的间隙。制造处理顺序如下，两层SU-8的模具制造方法：a.硅基板b.铝薄膜沉积用射频磁控溅射，c.旋涂一个SU-8间隙一层10微米厚的图案，d.SU-8的发展，e.蚀刻铝薄膜的调整，f.500微米厚的SU-8层的旋转涂层和图案化，g..SU-8的发展，h.PDMS浇到SU-8模具上，在PDMS的入口和出口上冲孔（a）甲硅晶片切成方形基板，两侧都是3cm。(b)铝薄膜通过射频磁控溅射被沉积在衬底上，以便于随后的对准过程。(c)有10微米厚的层的SU-8（SU-83005的MicroChem，USA）中的混合物用旋转器涂布在Al表面上，并由标准的UV光刻在阀的顶端和微通道壁之间形成缝隙形成图案。(d)SU-8的发展(e)除了间隙和十字标记的区域中，铝薄膜通过湿法进行蚀刻。在10微米厚的SU-8层在此过程中用作十字标记在对准的作用，因为在这个过程中Al的颜色与硅基板不同。然后在表面涂覆有粘合促进剂（Omnicoat™，的MicroChem，USA）。(f)一个500微米厚的SU-8（SU-82150，的MicroChem，USA）的上方形成用旋转器在基片和图形化，以形成模具的结构。(g)SU-8的发展(h)SU-8模具用于形成PDMS进入微VFP的结构。对SU-8的模具的表面上进行预处理具有阻挡涂层（阻挡涂层第6号，Shin-Etsu化学有限公司，日本）中，为了提高除去从模具中的PDMS。用一种液体的PDMS（Sylgard®184，DOWCORNING，美国）中的混合以10％的体积浓度的固化剂和进行脱气的真空之前被浇铸在模具中。此外，我们制备的液体硅橡胶，包括氧化铁的直径1微米（四氧化三铁，高纯度化学株式会社制）的磁性粒子。在液体PDMS中颗粒的体积浓度为25％。我们手动放置一滴液体PDMS包括磁性颗粒进入孔为振动阀在模具的制造。液体PDMS无磁性颗粒，然后浇铸在模具的整个区域。与PDMS然后将模具放置在热板上在65℃下45分钟以固化。(i)将固化的PDMS被从模具中取出，并两个孔直径为1.0毫米的打孔作为流入口和微通道的端部的流出口，如图所示。2I。微VFP由PDMS通过氧等离子体结合制成密封用1毫米厚的玻璃基板（松浪硝子工业。，Ltd。，日本）。粘接工艺从PDMS的表面上的等离子处理，并在26.3Pa的压力在玻璃基板和100W的30秒的动力开始。所述PDMS和玻璃基板，然后立即安装并烘烤的热板上在70℃下30分钟。图3示出了周围的振动阀所得的PDMS结构的SEM图像。使用上述的优化过程参数，我们成功地实现了相对较高的纵横比结构的制造。这种结构被设计成实现高泵的性能由于柔性阀运动和大振幅，这增加提供给液体的动能的控制性。阀和狭缝孔被证实具有均匀的形状。SEM图像还表明，该结构在整个图案垂直侧壁，阀和侧壁之间的间隙，结果为约23±4微米。4实验装置实验装置用于驱动微VFP和用于泵送性能的测定示于图4。PM具有0.31T的磁场强度的PM固定于安装在电磁致动器（ET-132-2，LABWORKSInc.的一种高精度的机械滑板（EPF7M，THK有限公司，日本）的轴，USA）和水平振动。电压为电磁致动器是正弦和由函数发生器产生（WF1945B，NF公司，日本）与放大器（HAS4014，NF公司，日本）。PM的振幅保持在8毫米的恒定值，同时致动的频率被改变为5至25赫兹。微VFP被固定到一个高精度阶段来控制三维位置相对于PM的振动和PM的中心位置的轴线沿微通道设置。在玻璃基板和PM之间的垂直距离为0.3毫米，这是通过实验确定，以最大限度地提高阀的振动。从使用显微镜观察，可以确认，所述微通道由于阀运动的变形微VFP的操作期间可忽略不计。流出口与所述微通道的入口被分别连接到1.14毫米的内径为静水测量容器通过两个管连接：215毫米长的聚四氟乙烯管中的0.46毫米和240毫米长的灵活的内径管为1毫米的内径。实验装置的示意图：1微VFP，2永久磁铁，3电磁致动器，4荧光立体显微镜，5EMCCD相机，6光源，7高精度阶段，8水库，9CCD照相机，10计算机，11函数发生器，12放大器，和13机械滑板尽管微VFP的设计简单，预先实验用自来水显示，该阀粘在狭缝孔的壁是PDMS的性质的关键问题。为了解决这个问题，乙醇，具有较低的表面张力，被选为一个工作流体以降低界面能。密度ρ的乙醇786公斤/立方米，在24℃情况下。因此，振动阀的平滑周期运动成功地实现。在以后的工作中，粘附问题可以通过修改阀，例如，边缘被从直修饰以弯曲的形状就可以解决问题，从而降低了阀和微通道的侧壁之间的接触面积，并且使微VFP适用于各种工作流体。此外，一个特定的表面处理（Tan等人2010）是有用的，以保持PDMS表面的亲水性，这将使我们能够使用水作为工作流体。在储层的气-液界面的运动使用CCD照相机（WAT-231S2，WATEC有限公司，日本）观察，并通过内部软件，追踪水平气-液界面在实际分析时间。接口的跟踪是通过计算互相关函数为跨越接口的亮度分布来实现的。少量的红色墨水被添加到工作流体以提高跟踪处理。这种测量的空间分辨率是8.3微米，由于本摄像系统的分辨率。在微VFP流场是使用聚苯乙烯荧光发色粒子直径为1.0微米（F8823，Invitrogen公司™，美国），其为1.0×10-3％的体积浓度与乙醇混合可视化。荧光发色粒子的流动用荧光立体显微镜（SZX7，奥林巴斯公司，日本），其具有相对大的工作距离与标准显微镜观察比较。由于阀的动作发生从玻璃一侧，我们观察到从PDMS侧的流动。然而，由于硅橡胶具有低的透明性与玻璃相比，为了获得清晰的图像为微PIV分析我们使用